基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究.pdf

第４４卷第ｌ７期２０１６年９月１曰电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｖ０１．４４ＮＯ．１７Ｓｅｐ．１，２０１６Ｄ０Ｉ：１０．７６６７／ＰＳＰＣ１５１１９６基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究潘伟，陈旭，许立强，尹项根，余斌（１．国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙４１０００７；２．强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中９大学），湖北武汉４３００７４）摘要：论述利用无线传感器网络构建线路纵联差动保护应急通信通道的技术方案，在考虑节点数量及其灾变损毁率情况下，提出了基于全网络通信可靠性及成本最优的节点冗余布置方法。并研究ＡＯＤＶ路由方式下，节点通信距离、架空线路杆塔档距及转跳次数对通信延时的影响并分析了延时抖动。通过纵联差动保护数字仿真试验表明，基于无线传感器网络构建的保护通道采用节点冗余布置方法进行网络规划，在极端灾变情况下可获得较高的生存性，基本满足纵联差动保护的信息传输需求。关键词：无线传感器网络；应急保护通道；纵联差动保护；延时；可靠性ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｍｅｒｇｅｎｃｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋＰＡＮＷｅｉ，ＣＨＥＮＸｕ２，ＸＵＬｉｑｉａｎｇ，Ｙ１ＮＸｉａｎｇｇｅｎ２，ＹＵＢｉｎ２（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｏｗｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｅＰｏｗｅｒＣｏｍｐａｎｙｏｆＳｔａｔｅＧｒｉｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０００７，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅ，ｂｕｔｉｔｍａｙｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｅｘｔｒｅｍｅｎａｔｕｒａｌａｎｄｍａｎ・ｍａｄｅｈａｚａｒｄｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｉｍｐａｉｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓａｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｃｈｅｍｅｏｆｐｉｌｏｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｎｏｄｅｓａｎｄｆａｉｌｕｒｅｒａｔｅｓｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ，ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｎｏｄｅｓｂａｓｅｄｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｏｐｔｉｍａｌｃｏｓｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅ，ｌｉｎｅｓｐａｎｓ—ａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆｎｏｄｅｓｏｎｅｎｄｔｏ－ｅｎｄｔｉｍｅｄｅｌａｙｕｎｄｅｒＡＯＤＶｒｏｕｔｉｎｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｉｌｏｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｄｉｇｉｔａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｅｍｅｒｇｅｎｃｙｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｗｈｉｃｈｕｓｅｓｒｅｄｕｎｄａｎｃｙａｒｒａａｇｅｍｅ￣ｔｍｅｔｈｏｄｔｏｄｏｎｅｔｗｏｒｋｐａｎｎｉｎｇＣａｎａｃｈｉｅｖｅｓｔｒｏｎｇｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙａｎｄｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｏｆｐｉｌｏｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｅｘｔｒｅｍｅｄｉｓａｓｔｅｒ．ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈ－ｔｅｃｈＲ＆ＤＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（８６３Ｐｒｏｇｒａｍ、（Ｎｏ．２０１５ＡＡ０５０２０１）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ；ｅｍｅｒｇｅｎｃｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌ；ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｄｅｌａｙ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ０引言在极端自然灾害影响下，光纤通信通道损毁导致纵联差动保护退出运行的事故屡见不鲜，如２００８年冰灾致杆塔覆冰载荷过重倒塌，ＯＰＧＷ光缆被破坏引起保护数据通道中断，多条高压线路主保护退出运行，严重危及主网的安全稳定运行。线路保护装置通常利用距离保护作为纵联差动保护的后备保基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１５ＡＡＯ５Ｏ２０１）；国网９项目护ｌ１，其利用单端电气量信息，可在通信通道故障时保证故障的可靠切除，但仍存在无法全线速动的缺点，因此需研究重构应急保护通道的技术方案。目前保护通信通道的重构有两方面思路，首先利用灾变后的健全通信通道，其次是对于不存在迂“”回通道的信息孤岛采用其他的通信方式。应急保护通道作为光纤通道失效后的备用通道，它的通信方式应尽量和光纤通信不相关，如在通信原理和通信介质上不同，以免和光纤通信同时失效。文献［２】提出利用公用通信网构建应急通道的改进措施，针对公用通信网延时的不确定性问题，采用ＧＰＳ对一７２一电力系统保护与控制时信号提高同步精度；针对公用通信网采用自愈保护而光纤电流差动保护原理不再适用的特点，在光纤电流差动保护装置中增加光纤距离保护原理，从而扩大光纤电流差动保护装置的适用范围。但公用通信网还存在数据安全问题，极端自然灾害情况下可能出现基站失电造成数据无法转发。纵联差动保护对数据传输实时性要求高，因此目前在纵联差动保护通道的研究多集中在影响光纤保护通道的延时和同步分析上，包括信道模型、误码特性、倒换路由改变等因素对保护延时及同步的—影响【３ｊ。另外一方面，文献［７９］针对光纤通道传输保护信号的可靠性进行了研究。然而在纵联差动保护应急保护通信上的研究较少。由于无线传感器网络（ｗｓＮ）具有自组织、多条路由等优点，特别适合用于环境恶劣、抢险救灾、危险区域远程控制等领域，文献［１０１提出了基于无线传感器网络的广域保护紧急通信通道的重构方案，在主保护通道失效后承担线路两端的电流数据传输任务，维系纵联差动保护的功能。但其仪仅是从无线传感器网络结构及特点对该方案进行了初步的论证，对组网方案和关键技术的表面论述也稍显粗浅。此外其仿真采用的无线传感器节点少传输距离较短，受限于当时无线传感器硬件技术。本文在文献［１０１的工作基础上，结合新型的无线传感器模块对ＷＳＮ应用于应急保护通道重构的方案实施和关键技术进行了更深入细致的研究。从工程实际应用的角度，进一步研究分析灾变情况下节点冗余布置方法和通信性能。具体而言，在考虑节点数量及其灾变损毁率情况下，提出了基于通信网络可靠性及成本最优的节点冗余布置算法。结合纵联差动保护数字仿真试验，研究了ＡＯＤＶ（Ａｄｈｏｃ—ＯｎｄｅｍａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＶｅｃｔｏｒ）路由方式下，节点通信距离、架空线路杆塔档距及转跳次数对通信延时及延时抖动的影响。１应急保护通道的方案设计１．１应急保护通道网络特点基于无线传感器网络的应急保护通信通道与传统的移动自组网络式传感器网络（ＭＡＮＥＴ）有着许多显著不同的特点：（１）位于应急保护通道中的无线传感器节点位置固定并且按近似直线的链式拓扑排列；而ＭＡＮＥＴ的概念中节点可以自由移动，拓扑常见的“是星状、网状或树状Ｊ；（２）应急保护通道中真正的通信节点只有线路首尾两端的两个节点，而ＭＡＮＥＴ中一个节点可以向网络中任何一个节点发起通信；（３）移动白组网络式传感器网络本身兼具采集传感数据和传输数据功能，可应用于输电线路状态监测数据ｆ如导线温度、风舞等）的采集；应急保护通道的无线传感器网络是自组网络式传感器网络的一种工作模式，能够在灾变情况下从监测模式切换到应急数据传输模式，肩负起传输保护数据的重任；ｆ４）构建的应急保护通道中通信节点的供电方式为线上感应取电ｊＪ或备用电池供电，可以进行供电方式切换。而ＭＡＮＥＴ中一般的设想是节点由电池供电，寿命有限。１．２传输及同步方式无线传感器网络具有应用相关性，保护数据传输量决定了网络的带宽和数据传输速率，为网络协议的选择提供了依据。不同的差动保护判据其传输方案不同，通过比较其传输数据和数据量可以采用数据量少的方案达到数据融合的目的。纵联差动保护可以利用采样值判据或相量判据。假设采样率为一个周波１６点采样，ＡＢＣ三市翻电流、电压采用四字节表示。若采用采样值数据传输，一个周波需３０７２ｂｉｔｓ即传输速率为１５３．６ｋｂｐｓ。若采用全周富氏算法，一个数据窗内包含个周波的采样数据点，计算当前１６个点后，每隔１．２５ｍｓ数据窗向前滚动一次，即每隔１．２５ｍｓ丢弃这１６个点中的第一个采样值，并用这１．２５ｍｓ内最新产生的采样点补充到之前剩余的１５个点的尾部组成一一个新的数据窗来计算电流向量。１Ｓ内产生１０００／１．２５＝８００个数据包，数据包中有效数据段折合传输速率为１５３．６ｋｂｐｓ。可以总结出如下结论：（１）采样值方式有效数据段的传输速率与采样率呈正比，若需提高采样率，其对通信信道的传输速率要求变高；（２）对于数据包中的有效数据字段，若采样率相同，那么按照采样周期平移时问窗的傅氏算法传输数据量和采样值传输数据量相同；（３）相量值方式有效数据段的传输速率与采样率无关，而与两个数据窗的时间间隔有关，可通过增大数据窗的间隔减小有效数据段的传输速率。纵联差动保护两端数据由于通道延时引起的不同步可能导致保护装置的不正确动作，目前，纵联差动保护中的采样同步方式有以下几种：基于数据通道的同步方法、基于参考向量的同步方法和基于ＧＰＳ的同步方法。其中基于数据通道的同步方法又包含采样时刻调整法、采样数据修正法和时钟校正法，但其依赖的是通道在两个不同方向上拥有相同的延时。而Ｚｉｇｂｅｅ网络的路由在前后两个方向潘伟，等基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究．７３．上无法保证是相同的。而且即使一个方向上的路由也可能会受到链路质量、节点故障等因素的影响而改变，从而导致端到端时延的改变Ｌ１引。针对这种端到端时延多变的通信网络，可以将每一次转跳花费的时间记录下来并写入到传输数据包中发送到对侧。或者采用基于ＧＰＳ的同步采样方案，利用ＧＰＳ接收机接收ＧＰＳ卫星发送秒脉冲信号１ＰＰＳ，该脉冲信号上升沿与ＵＴＣ的同步误差不超过１ｇｓ，也就是说如果利用该脉冲信号上升沿作为一轮采样的触发信号，线路两端的采样同步误差会在２ｕｓ以内。２ＬＬｓ相对于一周期２０ｍｓ的周波是０．０３６。，完全可以满足纵联差动保护的精度要求。１．３数据包格式及工作方式考虑到无线传感器网络传输速度有限、延时较大，如果将电流采样值实时发送到线路对侧，可能会给网络造成拥堵，带来巨大的负担。因此应急保护通道采取的是传送相量的方式。即在本侧求解出相量的实部和虚部值，然后将它们发送到线路对侧。目前传输的数据包有两种格式：一种是为提高经大过渡电阻故障时的灵敏度，采用相、零序电压补偿电容电流，需要同时采集三相电压和三相电流；一种是不进行电容电流补偿，其传输仅包含三相电流相量实、虚部。表１为第一种数据包的具体字段组成和相应的字节数。表１应急保护通道数据包格式Ｔａｂｌｅ１Ｄａｔａｐａｃｋｅｔｆｏｒｍａｔｏｆｅｍｅｒｇｅｎｃｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ同步字节用来对数据段的开头和结尾进行标记；组ＩＤ用于标记本条线路上节点所组成的网络的ＩＤ号，只有节点拥有相同的组ＩＤ时才可以互相通信。这样可以避免周围线路的网络造成干扰；目标节点为线路对侧的变电站内接收节点的节点号；产生节点为本侧变电站内发送节点的节点号；发送节点为数据包转发过程中，发出该数据包的节点号；采样序号为对１Ｓ内计算出的电流向量进行标号，用于表示１Ｓ内数据窗相对于ＧＰＳ接收机的秒触发脉冲的时间偏移。在接收到秒脉冲时将下一个数据包的采样序号置０，每滚过一个时间窗，并计算得到一组电流向量就将采样序号加１。在１Ｓ内，具有相同采样序号的数据包表明是在同一时刻所选取的数据窗。对侧接收到数据后，应将两侧采样序号相同的数据代入保护判据进行计算。三相电流分别表示三相电流的幅值，实部和虚部各用两个字节表示；三相电压分别表示三相电压的幅值，实部和虚部各用两个字节表示；开关量包含远跳信号、远传信号、ＣＴ断线、ＣＴ饱和等信息；ＣＲＣ对数据包中的所有数据进行卷积计算得到两个字节的ＣＲＣ码，ＣＲＣ码可用于在接收时对全部数据进行校验。为了实现两侧数据的同步，当ＧＰＳ接收机每接收到一次秒触发脉冲后，校正下一次的采样时刻，并将下一组时间窗所对应的数据包中的采样序号置０。在１Ｓ内，具有相同采样序号的数据包表明是在同一时刻所选取的数据窗。由于该应急保护通道的端到端延时经过仿真不会超过１ｓ（在下文会用仿真验证），在接收端最后计算得出的本侧８００个数据包中，有且仅有一个数据包的采样序号会与对侧数据包中的采样序号相对应。也就是说不会发生接收端将对侧第一１秒的数据对应到本侧第秒的数据的情况，保证了数据的同步性。在这种数据发送格式下，每秒单侧产生的比特数为８００×３５×８＝２２４０００ｂｉｔｓ，而基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的Ｚｉｇｂｅｅ协议工作在２．４ＧＨｚ时拥有２５０ｋｂｐｓ的带宽，满足数据传输的要求。２应急保护通道可靠性分析应急保护通道作为光纤通道的后备通道，应该在恶劣的自然条件和自然灾害下具备足够的可靠性。因此，本节对自然灾害下节点的可靠性和整个通道的连通性建立相关模型并进行分析。考虑某段输电线路，杆塔之间的档距均相等，假设某种自然灾害发生在该段线路时，单个节点正常工作的概率为Ｐ，损毁概率为卜ｐ。对整个通信网络有如下假设：（１）各节点损毁时间相互独立，因此整个网络的连通性则是在某种自然灾害下，全部节点能够使电流数据从网络的一端发送至另一端的概率；（２）每个杆塔周围都装有一个或多个节点且每个节点的通信范围均相等；（３）档距远大于杆塔附件节点之问距离，通信网络近似考虑为直线型网络且通信范围为无遮挡视距。本节主要研究保证网络连通情况下，可靠性和杆塔节点安装总成本的多目标优化问题。２．１可靠性算法以某段有ｉｖ／个杆塔的直线型线路，ｋ个故障节点时为例对算法展开论述（每个杆塔只布置一个节点１。每个节点的通信范围能够向一侧覆盖ｍ个档．．７４．．电力系统保护与控制距，只有当网络中有相邻的ｍ个节点发生故障时，网络通信才会中断。因此网络的连通性就是指在各种可能的节点损坏情况下，最多相邻故障点数目不超过ｍ个的概率。，ｌ＝∑Ｎｋ×（１一ｐ）×一（１）ｋ＝０网络的可靠性可由式（１）求得，其中：Ｐ。为网络的可靠性；Ｎｋ是指ｋ个节点故障的种情况中能使网络不至于中断的数目，即最多相邻故障点数目不超过ｍ个的情况的数目。根据式（１）可知，算法的核心在于帆的计算方法。首先将故障点数目ｋ分为３种情况：ｆ１）０－ｍ一１；（２）ｍ～ｓ一１；（３）～。其中Ｓ是由ｍ决定的一个划分情况（２）和（３）的中间变量，满足不等式ｓ／（ｍ一１）一１＞一Ｓ的。对于情况（１），不会出现ｍ个相邻点故障的情况。对于情况（３），剩余的，２一ｋ个正常点无法将故障点分隔，使得每个故障点区间的数目大于ｍ，网络不可能连通。因此，主要取情况（２１来进行分析。对于情况（２），应用排列组合的方法，将ｋ个故障节点中的ｍ个看成一个节点，并不与剩余的个区分，则故障节点为＋１个，总的节点数为—，ｚｍ＋１个，可知网络不连通的情况有中。而总的排列组合种数有ｃ种，因此，网络连通的情况有一种。将给定故障点数目的所有分组方式下产生的排列组合数目相加即得出上文提到的，最后将代入式（１）即可得到整个网络的可靠性。２．２节点的最优布置在实际的无线传感网络中，一个杆塔上仅仅布置一个节点往往是不够的。为了提高网络的可靠性，需要在杆塔上布置多个节点。此时可以把杆塔上的全部节点视为一个可靠性为ｌ一（１）的合成节点，为杆塔上布置节点的个数。１一（１的含义是只有当该处所有的节点全部故障，该位置的合成节点才会失效。增加每个杆塔上节点的数目固然会增加网络的可靠性，但同时增加了成本。因此，需要在成本和可靠性之间进行优化。目标函数及约束为ｍａｘｆ（ｘ）＝ｇ（１一（１一ｐ））一ＣＯＸＸＸｐｒｉｃｅ￣，～、ｔｚ）ｓｕｂｊｅｃｔｔｏ：Ｘ其中：函数）是网络可靠性和单个节点正常工作概率的函数关系；ＣＯ是权衡可靠性和成本的权重系数，其值取决于对可靠性和成本的相对重视程度：ｐｒｉｃｅ为单个节点成本；是指杆塔上的最大可安置的节点数，取决于杆塔的载重，绝缘等因素。最终的目标即综合考虑网络可靠性和节点成本，寻求目标函数的最大值。通过之前提出的网络可靠性的算法和得剑的曲线可知，网络可靠性的函数既不是线性函数也不是凸函数，因此传统的优化方法是不适用的。每个杆塔上的节点数目为整数，且这个整数有最大值的约束。因此，只需要把每种单杆塔节点数日所对应的目标函数值进行计算。选取了一种情况进行分析：令网络：点数为５０，单节点成本为２０００元，为２０，灾变情况下单节点失效率为０．５，令ｏ９－－０．００００００２。图１是目标函数随杆塔节点数Ｘ变化的曲线，从【圣＝ｌＬＩＪ町以看出，当ＣＯ为０．００００００２时，使优化问题有最优解的杆塔节点数Ｘ为４。此时目标函数值为０．９０，刚络可靠性和成本分别为０．９８９和４０万元。图１目标函数值和杆塔节点数的关系Ｆｉｇ．１Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｎｏｄｅｓｎｅａｒｏｎｅｔｏｗｅｒ为了验证权重系数Ｏ９的取值对Ｉ酬络性能的影响，列举了Ｏ９从ｌ０到１０４变化时，最优朴塔点下的网络可靠性和成本的值。从图２可以发现，当ｏ９＝１０时，已经叮以满足∞０．９８９的网络可靠性；而继续减小值时，网络可靠性虽然会继续增加，但增加幅度已经非常小＿ｒ。ｘ１０图２不同权重系数对最优成本和可靠性的影响Ｆｉｇ．２Ｗｅｉｇｈｔｆａｃｔｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｉｃｅａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ潘伟，等基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究．７５．此时可靠性的提高相比于成本的增加已经是微不足道了。因此，当ｏ￣＝ｌＯ时，对设计者而言，此时是最优的。尽管对于不同的０９，都能找到一个使目标函数最大的单杆塔节点数，但这个最优解所带来的网络可靠性和成本相比于其他０９值所带来的可靠性和成本，并不一定是最优的。在计算杆塔节点数时可以将０９进行大范围取值计算ｆ例如从１０到１０＿４），从中找出最优的０９值和最优杆塔节点数。根据图２中曲线变化的规律，可以采用一个稍微简便的方法。可以设定一个可靠性的设计阈值（例如０．９５），在ＣＯ逐渐减小的过程中，一旦发现可靠性大于该阈值，就不需要继续减小ＣＯ。即一旦发现可靠性满足了设计要求，就不需要使用巨大的成本去换取微不足道的可靠性的增加了。３应急保护通道通信性能分析为了更全面地分析节点通信距离、架空线路杆塔档距及转跳次数对通信延时及延时抖动的影响，仿真采用ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真软件搭建长度为３０ｋｍ的５００ｋＶ双端供电输电线路模型，纵联差动保护通信通道采用无线传感器网络构建，利用第二节中提到的应急保护通道方案来模拟通道数据延时，并采用ＮＳ２仿真软件ｆＮｓ２是目前被广泛使用的一种网络模拟软件，是一个能够代替实际网络环境的开源网络仿真软件【ｌ纠）进行基于ＡＯＤＶ路由的通信模拟。３．１纵联差动保护方案仿真采用分相电流差动保护，分别在线路不同位置模拟不同类型的故障，将获得的三相电流向量值按照表１组包后，通过无线传感器网络发送到对侧。由于无线传感器网络的端到端时延具有不确定性，因此后文的仿真结果均为计算的平均值。同时不同类型不同位置发生故障产生的数据经过组包后情况类似，后文仿真结果仅给出中点发生金属性单相接地故障的延时仿真结果。分相电流差动保护动作判据为｛Ｉｄ＞＞Ｉｄ．ｓｅｔＩｄ（３）＜ＩｊＪｌ＞～其中：＝ｌ＋ｌ为差动电流；＝ｌ一ｉＮ／２为制动电流；、为线路两侧相电流相量；Ｋ为制动系数；为分相差动电流门槛，采用高定值２．５倍电容电流整定；相量运算采用半周傅氏算法。３．２应急通道方案试验受限于多节点试验所需设备和规模的限制，现场试验仅研究了７个和１０个节点分别构成的２１００ｍ线路和３０００ｍ线路的通道延时，在档距为３００ｍ的每个杆塔上布置无线传感节点，两个端节点采集输电线路的电流数据，测量数据通过基于传感器节点构成的无线传感器网络传输到对侧进行判据判定，路由协议采用ＡＯＤＶ。节点的硬件选型采用的无线传输模块的室外传输视距可达３２００ｍ，℃℃工作温度范围为一４０到８５，发送数据时电流为２２０ｍＡ，接收数据时电流为６２ｍＡ，空闲状态电流４ｕＡ。分别测试节点传输距离为６００ｍ和ｌ２００ｍ时两种线路的通信延时，试验结果如表２所示。表２现场试验和ＮＳ２仿真的延时对比Ｔａｂｌｅ２ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｉｍｅｄｅｌａｙｂｅｔｗｅｅｎｆｉｅｌｄｔｅｓｔａｎｄＮＳ２ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｅｓｔ架空线路杆塔档节点传输转跳现场试ＮＳ２仿真堡塑墅塑墅笙堕堡堕坐２１００３００６００３０．００８８０．００８２２１００３００ｌ２００２０．００８５０．００８０３０００３００６００５０．００９４０．００８９３０００３００１２００３ｎ００９１ｎ００８Ｓ同时，在ＮＳ２仿真软件上也进行了相同的网络模拟，结果列于表２。从延时可知，通过ＮＳ２仿真试验和实际试验的结果是相符的。因此，后文中的对应急保护通道性能分析的多节点试验皆利用ＮＳ２软件实现。３．３应急保护通道通信性能分析采用ＮＳ２通信仿真软件结合实际无线传感器网络模块对延时及延时抖动进行了分析，分析结果分为３种：（１）考虑定档距，定通信距离（节点通信范围）时，改变架空线路长度（杆塔数），对延时进行仿真；（２）考虑定档距，定架空线路长度，考虑通信距离不同；（３）考虑无线网络端到端延时不稳定而造成的延时抖动。１）线路长度变化时通信性能分析该仿真考虑了线路总长度为１０～３０ｋｍ，档距为３００／４００／５００ｍ的情况，节点通信范围为３２００ｍ。从图３中可以看出，在节点通信范围较大（与档距相比）的情况下，随着线路长度的逐渐增加，转跳的次数增加导致延时的增加。当传输距离为３０ｋｍ时，传输时延约为１２０ｍｓ。档距的改变对延时也有影响，约在１０ｍｓ左右。２）节点通信范围变化时通信性能分析该仿真考虑了线路总长度为１０ｋｍ、２０ｋｍ、３０ｋｍ时，档距为４００ｍ的情况，节点通信范围为从８００ｍ逐渐增加到３２００ｍ。可以从图４中看出节点通信能力严重影响了延时。对于档距为４００ｍ的３０ｋｍ线路，当节点通信能力小于１６００ｍ时，电力系统保护与控制线路长度／ｋｉｎ图３线路长度与延时之间的关系（档距：３００／４００／５００ｍ—Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｌｉｎｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｅｎｄ－ｔｏｅｎｄｄｅｌａｙ延时增加显著；对于档距为４００ＩＴＩ的２０ｋｍ线路，当节点通信能力小于１２００ＩＴＩ时，延时显著增加；对于档距为４００１１３的１０ｋｍ线路，当节点通信能力小于１２００Ｉｎ时，延时增加显著。由于节点通信能力越强，成本及功耗也会越来越高。以本文采用的硬件为例，３２００ｍ通信范围的节点成本大概为１５００ｍ通信节点成本的两倍。若节点发送数据、接收数据及空闲状态的时间比为１：１：８并采用２０Ａｈ的电池功能，３２００ｍ节点可持续工作１个月，为１５００ｍ通信节点持续工作时间的１０％左右。实际情况下可以控制空闲时间或在紧急情况下唤醒使得节点工作时间更长。１点通信范￣］ｑ／ｍ图４节点通信范围与延时之间的关系（档距：４００ｍ）Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｄｅｌａｙ３）延时抖动分析延时抖动分析主要是在线路长度为３０ｋｍ，档距为４００ｍ，通信距离为３２００ｍ的仿真结果。延时的平均值为：０．０１７０７７９７３Ｓ，最大值为０．０１８１３８４２Ｓ，最小值为０．０１５９１８４２Ｓ，极差为０．００２２２Ｓ，标准差为０．０００４８９０６７Ｓ，可以看出无线传感器存在一定的延时抖动，而通过上文中同步方式将采样同步误差控制在２ｓ以内，可以克服延时抖动对数据同步性的影响。４结论本文为应对电网灾变情况下保护通道中断导致保护性能下降甚至退出的问题，提出并研究了利用无线传感器网络构建应急通信通道方案，并对其全网络的可靠性进行了分析，同时对应急保护通道的延时和延时抖动进行了仿真分析。主要结论如下：（１）提出了基于无线传感器网络的应急保护通道构建方案，针对通信及同步方式、数据包格式和节点工作方式进行了研究；（２）提出了基于全网络通信可靠性及成本最优的节点冗余布置方法，可对基于无线传感器的应急保护通道的部署起到指导作用；（３）采用ＰｓｃＡＤ／ＥＭＴＤｃ结合ＮＳ２通信仿真软件全面地分析节点通信距离、架空线路杆塔档距及转跳次数对通信延时及延时抖动的影响，结果表明在允许适当降低主保护动作速度的前提下可以利用无线传感器网络构建应急保护通道。参考文献［１］ＬｉｎｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎＲＥＤ６７０２．０ＩＥＣＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｍａｎｕａｌ［Ｚ］．ＡｓｅａＢｒｏｗｎＢｏｖｅｒｉＬｔｄ．，２０１４．Ｅ２］赵曼勇，周红阳，余江，等．光纤电流差动保护心埘冰灾期间采用公用通信例通道的改进措施ｆＪ１．南方电网技术，２００８，２（２）：２７．３０．ＺＨＡＯＭａｎｙｏｎｇ，ＺＨＯＵＨｏｎｇｙａｎｇ，ＹＵＪｉａｎｇ，ｅｔａ１．Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｌｉｎｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｗｈｅｎｕｓｉｎｇｐｕｂｌｉｃｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｃｈａｎｎｅｌｓ—ｄｕｒｉｎｇａｎｔｉｉｃｉｎｇ［Ｊ］．ＳｏｕｔｈｅｒｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２（２）：２７－３０．［３］高会生，马洋．一种ｆ概率分布的纵联差动保护通道时延模型［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１４，４２（１７）：—６１６５．ＧＡＯＨｕｉｓｈｅｎｇ，ＭＡＢｏｙａｎｇ．Ａｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｄｅｌａｙｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１４，４２（１７）：６１－６５．［４］李钢，冯辰虎，孙集伟，等．纵联电流差动保护数据同步技术及通道切换时数据交换的研究『Ｊ１．电力系统保护与控制，２０１０，３８（２２）：１４１．１４６１５０．ＬＩＧａｎｇ，ＦＥＮＧＣｈｅｎｈｕ，ＳＵＮＪｉｗｅｉ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄａｔａｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｄａｔａｅｘｃｈａｎｇｉｎｇｗｈｉｌｅｃｈａｎｎｅｌｓｗｉｔｃｈｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ１．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（２２）：—１４１１４５，１５０．Ｅｓ］许俊现，高会生，汪洋．用于线路纵筹保护的ＰＴＮ时分复用业务时延分析［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１５，—４３（２３）：５６６２．ＸＵＪｕｎｘｉａｎ，ＧＡＯＨｕｉｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＹａｎ．ＡｄｅｌａｙｔｉｍｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｉｍｅｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇｓｅｒｖｉｃｅｓｏｖｅｒＰＴＮａｐｐｌｉｅｄｔｏｌｉｎｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．潘伟，等基于无线传感器网络的应急保护通道可靠性及通信性能研究ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１５，４３（２３）：５６－６２．［６］卜强生，宋亮亮，张道农，等．基于ＧＰＳ对时的分散采样差动保护同步测试方法研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００３，４１（２２）：１４９－１５３．ＢＵＱｉａｎｇｓｈｅｎｇ，ＳＯＮＧＬｉａｎｇｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧＤａｏｎｏｎｇ，ｅｔａ１．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓａｍｐｌｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＧＰＳｔｉｍｅ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，４１（２２）：１４９－１５３．［７］付聪，安灵旭，方华亮，等．继电保护系统对一次设备可靠性的影响研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１３，４１（１ｌ、：３８－４４．ＦＵＣｏｎｇ，ＡＮＬｉｎｇｘｕ，ＦＡＮＧＨｕａｎｇｌｉａｎｇ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｒｉｍａｒｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，４１（１１）：３８－４４．［８］王艳．继电保护信号在ＳＤＨ光纤自愈网中的传输［Ｊ］．电力系统通信，２００９，３０（２０６）：５３．６９．ＷＡＮＧＹａｎ．ＲｅｌａｙｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｉｎＳＤＨｏｐｔｉｃａｌｓｅｌｆ－ｈｅａｌｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒ—ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ，２００９，３０（２０６）：５３６９．［９］李芷筠，戴志辉，焦彦军，等．继电保护可靠性管理系统设计与实现［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１３，４１（１４）：ｌ１５．１１９．ＬＩＺｈｉｊｕｎ，ＤＡＩＺｈｉｈｕｉ，ＪＩＡＯＹａｎｊｕｎ，ｅｔａ１．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１３，４１（１４）：１１５－１１９．［１０］刘宝，尹项根，李振兴，等．基于ＷＳＮ重构广域保护紧急通信通道的研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１２，—４０（２１）：９０９５．ＬＩＵＢａｏ，ＹＩＮＸｉａｎｇｇｅｎ，ＬＩＺｈｅｎｘｉｎｇ，ｅｔａ１．ＳｔｕｄｙｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＷＳＮｆｏｒｗｉｄｅａｒｅａｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄ—Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１２，４０（２１）：９０９５．［１１］ＧＡＮＧＤ，ＳＡＨＩＮＯＧＬＵＺ，ＯＲＬＩＫＰ＇ｅｔａ１．Ｔｒｅｅ．ｂａｓｅｄｄａｔａｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎＩＥＥＥ８０２．１５．４ａｎｄＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＭｏｂｉｌｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００６，５（１１）：１５６１．１５７４．［１２］ＰＡＯＬＯＭ，ＭＡＣＲＯＭ，ＧＩＡＮＬＵＩＧＩＦＡｍｕｌｔｉ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｌｕｓｔｅｒｅｄＺｉｇＢｅｅｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＩＥＥＥｌＯｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ．７７．ｏｎＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００８：１２１７．［１３］王鹏，梅生伟，刘锋，等．高压输电线路巡线机器人在线供电系统研￣ｊｔＪ［ｊ］．电工电能新技术，２０１１，３０（４）：７４．７９．ＷＡＮＧＰｅｎｇ，ＭＥＩＳｈｅｎｇｗｅｉ，ＬＩＵＦｅｎｇ，ｅｔａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｎ・ｌｉｎｅｅｎｅｒｇｙｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｎｅｒｇｙ，２０１１，３０（４）：７４－７８．［１４］贺春，陈光华，张道农．ＩＥＥＥＳｔｄ１５８８．２００８精确时间同步协议行业规范在电力系统的应用研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１５，４３（１７）：１３３．１３８．ＨＥＣｈｕｎ，ＣＨＥＮＧｕａｎｇｈｕａ，ＺＨＡＮＧＤａｏｎｏｎｇ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｔａｎｄａｒｄｐｒｏｆｉｌｅｆｏｒｕｓｅｏｆＩＥＥＥＳｔｄ１５８８－２００８ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｉｍｅｐｒｏｔｏｃｏｌｉｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１５，４３（１７）：１３３．１３８．［１５］王小明，卢俊岭，李英姝，等．模糊随机环境下的无线传感器网络多约束多路径路由【Ｊ】．计算机学报，２０１１，３４（５）：７７９－７９１．ＷＡＮＧＸｉａｏｍｉｎｇ，ＬＵＪｕｎｌｉｎｇ，ＬＩＹｉｎｇｓｈｕ，ｅｔａ１．Ｍｕｌｔｉｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｍｕｌｔｉｐａｔｈｒｏｕｔｉｎｇｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓｉｎｔｈｅｆｕｚｚｙｒａｎｄｏｍｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ—ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｓ，２０１１，３４（５）：７７９７９１．［１６］包斌，詹自敖．ｎｓ２深度探索及在网络传输性能分析中的应用［Ｊ］．通信技术，２００９（５）：１５５－１６０．ＢＡＯＢｉｎ，ＺＨＡＮＺｉａｏ．Ｉｎ－ｄｅｐｔｈｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆｎｓ２ａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａｎａｌｙｚｉｎｇｏｎｎｅｔｗｏｒｋｔｒａｎｓｐｏｒｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；２００９（５）：】５５．】６０．收稿日期：２０１５－０７－１２；修回日期：２０１５－１０－１６作者简介：陈旭（１９８９一），男，通信作者，博士研究生，研究方向为电力系统通信，电力系统继电保护，故障定位；Ｅ．ｍａｉｌ：２８５６２７８９７＠ｑｑ．ｃｏｍ潘伟（１９６１一），男，高级工程师，研究方向为电力系统继电保护：许立强（１９８２一），男，博士，主要研究方向为变压器仿真与保护。（编辑姜新丽）